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http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/64327| Type: | Tese |
| Title: | Conversor Full-Bridge cascata baseado na técnica de entrelaçamento para aplicações de alta tensão e alta corrente |
| Authors: | Queiroz, Samuel Soares |
| Advisor: | Oliveira Júnior, Demercil de Souza |
| Keywords: | Aplicações em alta potência;Conversores multiníveis;Conversores em paralelo;Equilíbrio de potência;STATCOM |
| Issue Date: | 2022 |
| Citation: | QUEIROZ, Samuel Soares. Conversor Full-Bridge cascata baseado na técnica de entrelaçamento para aplicações de alta tensão e alta corrente. 2022. 204f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Fortaleza, 2022. |
| Abstract in Brazilian Portuguese: | Os desafios da indústria da energia em aplicações de alta potência exigem o uso de conversores com característica de fonte de tensão (voltage source converters – VSCs) capazes de operar com altos níveis de potência. Nesse âmbito, barreiras técnicas e tecnológicas podem limitar a utilização das tradicionais soluções em aplicações de alta tensão e alta corrente. As tradicionais soluções geralmente apoiam-se em duas abordagens: i) topologias multiníveis para aumentar a capacidade de tensão; e ii) conexão em paralelo de semicondutores discretos e submódulos (SMs) de potência para aumentar a capacidade de corrente. Visando desenvolver uma solução mais flexível, este trabalho propõe e analisa o conceito do conversor full-bridge cascata generalizado (FBCG), o qual permite aumentar os níveis de potência das topologias derivadas fornecendo divisão da tensão e corrente. O princípio de síntese do conversor FBCG emprega o conversor full-bridge (FB) monofásico como SM básico. Além disso, utiliza-se da técnica de cascateamento de conversores para incorporar a configuração de conversores intercalados para construir uma estrutura multirramificada e de multicamadas com tensão e corrente reduzidas nos SM-FBs e semicondutores. O trabalho é focado em topologias que utilizam SM-FBs com tensões de barramentos CC assimétricas, os quais processam potências iguais. Além disso, o estudo fornece uma análise detalhada sobre a modelagem e projeto do sistema, correntes circulantes e estratégia de modulação. Apesar das vantagens técnicas, o conversor multinível FBCG requer um sistema de controle complexo. Assim, propõe-se o estudo do modelo matemático do conversor FBCG, sendo que uma abordagem matemática generalizada é derivada para obter as principais equações diferenciais que governam as dinâmicas das correntes de modo comum (MC) e modo diferencial (MD), bem como as formas de onda das tensões sintetizadas pelo conversor. Uma nova estratégia de controle generalizada baseada na transformada de similaridade de Lunze é analisada em detalhes. O principal conceito associado ao método de balanceamento de tensão do sistema de controle baseia-se no uso das correntes de MD. A troca de energia armazenada nos capacitores dos SM-FBs ocorre por meio das correntes de MD, ao passo que garante a divisão equilibrada de corrente. Em comparação com outras topologias e soluções convencionais, o conversor proposto neste trabalho tem um desempenho competitivo em termos de perdas nos semicondutores e menor número de elementos. Um protótipo de laboratório em pequena escala de um compensador síncrono estático (static synchronous compensator – STATCOM) para um sistema elétrico monofásico de 2,2 kVA/311 V é implementado para validar as considerações teóricas do conversor FBCG, verificando o comportamento da estrutura nos regimes permanente e transitório. |
| Abstract: | The energy challenges in high-power applications require the use of voltage source converters (VSCs) capable of handling high power levels. Technical barriers may limit the utilization of traditional solutions in high-voltage, high-current applications. Traditional solutions often rely on two approaches: i) multilevel topologies to enhance voltage capability; and ii) parallel connection of discrete semiconductors and power sub-modules (SM) to enhance the current capability. In order to obtain a flexible solution, this work proposes and analyses the generalized cascaded full-bridge (GCFB) converter, which allows increasing the power levels of the derived topologies while providing voltage and current sharing. The systhesis principle of the GCFB converter uses the single-phase full-brigde (FB) converter as a basic SM. Moreover, it takes advantage of cascading techniques and incorporates the interleaved configuration to build a multi-branched, multilayer structure with reduced current and voltage stresses on the FB-SMs and semiconductors. This work focuses on topologies that use asymmetrical dc-link voltages with balanced power processing among the FB-SMs. The study also provides an in-depth analysis regarding the system modeling and design, circulating currents, and modulation strategy. Despite the aforementioned advantages, the multilevel GCFB converter requires a complex control system. In this sense, this work proposes the study of the overall circuit model of the GCFB converter. A generalized mathematical approach is derived to obtain the main differential equations that define the dynamics of common-mode (CM) and differential-mode (DM) currents, as well as the voltage waveforms synthesized by the converter. A novel and generalized control strategy based on the Lunze’s similarity transformation is also analyzed in detail. The main concept associated with the voltage balancing method of the control system relies on using the DM currents. The exchange of energy stored in the dc-link capacitors occurs through the DM currents, whereas proper current sharing is ensured. Compared with conventional topologies and solutions, the proposed solution is quite competitive in terms of power losses in the semicondutors and lower component count. A small-scale laboratory prototype of a static synchronous compensator (STATCOM) rated at 2.2 kVA/311 V is implemented to validate the theoretical assumptions about the GCFB converter, considering the behavior of the structure in steadystate and transient conditions. |
| URI: | http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/64327 |
| Appears in Collections: | DEEL - Teses defendidas na UFC |
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